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电子科技大学硕士学位论文……一够舯一图仿真区域横截面、空间聚

归档日期:06-27       文本归类:定位信道      文章编辑:爱尚语录

  电子科技大学硕士学位论文……一够舯一图仿真区域横截面、空间聚焦及时问聚焦示意图 时空聚焦性根据上一部分的理论推导可以知道 聚焦位置上的信噪比在聚焦时刻达到最大 如图 所示。 存在旁瓣由于通信节点所收集各个多径分量都要经过相同的信道发射 每个分量要各自产生多径 这些多径与信道不匹配无法在聚焦时刻到达而

  电子科技大学硕士学位论文……一够舯一图仿真区域横截面、空间聚焦及时问聚焦示意图 时空聚焦性根据上一部分的理论推导可以知道 聚焦位置上的信噪比在聚焦时刻达到最大 如图 所示。 存在旁瓣由于通信节点所收集各个多径分量都要经过相同的信道发射 每个分量要各自产生多径 这些多径与信道不匹配无法在聚焦时刻到达而只能零散的分布在聚焦时刻两侧 因而幅度也远小于主瓣。其推导过程见时间反演时间聚焦的理论部分。 旁瓣的对称性“一一一 一第一章引言信道与反转后的信道冲击响应卷积的本质是两个冲激串的卷积所发射的第 条多径走过第 条多径的路径的到达时间与第 『条多径分量走过第 条多径的路径的时间相等 因此所有的分量将对称分布在聚焦时间的两侧。 时间反演用于定位技术的发展现状美国卡耐基梅隆大学 教授首次将时间反演引入车载定位系统中 金教授对定位系统的 界进行推导并且计算了多径数量和 界的关系曲线 从理论上证明了该技术可以大幅度提高系统的定位精度。但是未见仿真和实物实验。目前未见有关将时间反演应用于室内环境的无线传感器网络的节点定位的研究。 本论文的内容和特色本论文调研了大量文献 充分调研了现有的无线传感网络及其节点定位技术的研究进展。之后又系统、全面地研究了时间反演技术。在比较理想的电磁环境下 传统的无线传感器网络节点定位技术的精度的确较高。而在复杂电磁环境中 节点定位受到多径的影响而精度恶化。不少学者为了解决此问题而进行了大量的研究 但是人们的研究都集中在提高信号带宽和后期数据处理上 本论文的特色在于将时间反演引入节点的定位中从而抑制了多径将定位精度大幅度提高。本文中作者进行了理论推导、基于专用软件的仿真、结果分析及定位效能的对比。 电子科技大学硕士学位论文第二章 的工作原理本章首先介绍了目前较成熟的无线传感器网络节点定位方法的基本原理及其性能 然后着重介绍了基于时间反演的无线传感器网络节点定位技术的详细过程 并且从理论上证明了该方法能大幅度地提高节点定位的精度。 传统定位技术综述在无线传感器网络节点中 有一些配备有 定位系统价格比较昂贵的节点称作参考节点又叫做锚节点。当节点部署完毕后 参考节点可以首先实现自身的定位。未知位置的节点叫做位置节点或者未知节点。当所有节点被部署完毕后 普通节点就会收到来自参考节点发射的广播信号 位置节点正是根据这些信号实现自身的定位的。当位置节点完成定位过程后就升级成为参考节点 并辅助其他的位置节点完成定位。因此网络中的定位误差会不断累积。传感器网络按照使用方式分有静止节点式 即部署完毕后每个节点都是固定在某个位置。这样的网络一般应用于一些危险场所的数据采集或者事件的监控。动态节点式 即有几个固定的大节点作为网关节点 其他的小节点作为漫游器安置在移动物体上用以对其进行跟踪和监护。按照计算节点坐标的位置分为集中式定位和分布式定位 我们本课题研究的是静态网络的分布式定位技术。传统的定位技术可以分为基于距离测量的和与距离无关的两种。基于测距的定位技术精度较高。在某些场合下需要对精度提出一定的要求 往往采用基于距离测量的定位方法。基于距离测量的方法中按照测量方法分有 按照坐标估计方法分有三边测量法和三角测量法。与距离无关的定位技术【】主要依靠一些算法 根据相邻节点之间的跳数和一些全局信息来估计各自的位置。这种方法硬件成本低 但是精度不是很高。 定位系统的测距方法介绍 信号到达时间 基于到达时间 是通过测量某种物理信号在相邻两节点之间的传播时间来第二章 的工作原理估计节点间距离的方法。 系统就是采用这种方法进行定位的。此种方法的精度很高 但是对系统间的时钟同步要求很苛刻从而限制其应用的推广。 信号到达时间差 是通过测量两种不同的信号在相邻节点间传播时间差来估计节点间的距离的 如下图所示 分别是电波和超声波的到达时间 。因为 非常小 所以超声波在 内的所走的路程可以忽略 因此距离 其中’ 代超声波的传播速度。 的精度更高 而且对系统的同步性能要求不高。它的硬件构成比其他的方法多出了声音处理模块和扬声器 因此其较高的成本同样限制了其应用的推广。图 定位技术原理 基于信号强度指示 是一种通过测量相邻节点发射的射频信号的功率来估计节点之间的距离的方法。这种方法硬件实现简单。但是由于应用环境的情况往往比较复杂散射、折射、反射都会带来很大的测量误差。还有一些场合 我们对其衰减特性不了解 无法使用该技术 因此这种技术的应用也因此比较少。其基本原理如下 参考节点发射一定峰值功率的脉冲信号 位置节点接收并测量其峰值功率。首先选定信号传播特定长度的衰减值为参考。然后距离 其中只是位置节点收到的信号功率尼是参考节点发射的信号功率 彩是脉冲传输葫后功率的衰减值是节点之间的距离 单位为扰 刀与石是修正因子。 定位系统坐标计算方法 边测量法为了便于理解 我们以二维定位过程为例介绍基于 技术的三边测量法。如图 所示 中心节点即位置节点 周围三个节点是参考节点又叫信标节点。这些节点配备有 定位系统或者事先摆放在固定的位置 可以预先确定自己的位置。三个参考依次向周边的位置节点发送广播信号 信号中包含发送时间、参考节点坐标“ 。估计距离 是信号传播速度 是信号传播延迟。图三边测量法估计坐标示意图在位置节点测量出到已知的几个参考节点的距离之后 利用从广播信息中获得的参考节点 的坐标信息 再根据解析几何中两点问的距离公式列出一组关于未知向量‰ 的方程组。为了使方程组有解 本例中的二维定位至少需要三个参考节点 而三维的定位则至少需要四个参考节点。与位置接点相邻的有效参考节点数目越多有效方程个数也越多 拟合曲线越接近真实解。 第二章的工作原理 减去方程可得新的方程组 并利用最乘法原理对以上新的方程组进行拟合求解 解向量。 三角测量法三角测量法需要首先测得信号的到达角度因此本方法需要所有节点安装天线阵。本例中位置节点彳通过天线阵测出参考节点 所发射信号的入射角根据多个参考节点曰 到达彳点的角度的正切 这个已知量和 曰点的位置信息 可以列出以下方程组 三角测量法的示意图基于时间反演技术的无线传感器网络节点定位技术 基于时间反演的无线传感器网络定位信号形式在基于时间反演的节点定位方法中 所涉及的脉冲的形式均采用无载波的高斯二阶脉冲 其时域函数和波形如式 所示其中 是高斯脉冲的幅值 是脉冲宽度 型矿警醚铲丝矿“第二章的工作原理高斯二阶脉冲图 二阶高斯脉冲信号的时域波形 时间反演与信号频谱的关系信号经过时间反演 其在频域中形式是原来频谱函数的共轭。其带宽不变 其模要乘以信道冲击响应频谱函数模的平方 假设信号为 信道冲击响应为 其中时域卷积相当于频域乘积复数乘以自身共轭等于自身模的平方 时间反演与传统的超宽带信号的时域波形以及频谱如下图所示电子科技大学硕士学位论文 第二章的工作原理 基于时间反演的定位的详细过程本方法的工作原理可以描述为以下步骤 如图 所示其算法流程 时间反溟节点定位方法流程图位置节点发送请求脉冲 请求信号的标准形式是高斯二阶脉冲如图 所示。当无线传感器网络部署完毕后 位置节点向周围的有效参考节点发送请求定位的信号 参考节点对请求脉冲进行反转后等待固定延迟后发射。与位置节点相邻的所有参考节点同时接收并处理此请求信号。 参考节点接收后 延迟固定时间并在这段固定延迟时间 内将信号反转 作为应答信号 等固定延迟结束后将信号发出。这样做的目的是利用固定的时间延迟消除节点的反应与处理数据的时间。反转操作的描述 当位置节点发射请求脉冲后 参考节点接收后对其进行模数转换 变成一些离散的数据存储在节点的 并根据反转算法进行反转并且存入一定的区域当延迟结束后 参考节点会调用这些数据 通过数模转换和射频模块发送出去。 当位置节点请求脉冲发送完毕后 根据程序设定 位置节点将等待应答信号的到达 如果上次的请求脉冲没有被参考节点接收到 大于一定的时间限度没

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